电子风扇专用无刷直流电机关键技术的研究

摘要：为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择。指出了电子风扇专用无刷直流电机控制电路的一些注意事项，结合具体实验，优化电路中元器件的参数，很好地保证电机稳定正常运行。
关键词：电子风扇；无刷直流电机；电机控制；元器件参数

0 引言
    电子风扇是一款针对汽车发动机散热而设计的全自动分阶控制产品，适用于各种型号的客车、城市公交车的发动机散热系统。本产品很好地解决了客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度控制，有效防止车辆在运行过程中由于发动机温度过高而导致的自燃、烧发动机、高能耗等问题，是车载电子风扇的最佳选择。

1 总体控制方案
    本文研究的电子风扇采用的是三相异步无刷直流电机，其相对于有刷电机有如下优点：
    (1)可以根据冷却水的温度自动调节风扇转速，起到节能效果；
    (2)采用无刷控制，延长电机的使用寿命；
    (3)电子换相代替机械换相，减少机械磨损等能量损耗；
    (4)转速高，空载转速达5 000 r／min，负载转速达3 500 r／min。
    车载电子风扇产品如图1所示。

    本产品无刷直流电机的控制采用的是Motorota公司的第二代无刷直流电机专用集成芯片MC33035，外接功率开关器件后，可用来控制三相异步无刷直流电机。配合MC33039电子测速做F／V转换，引入测速反馈后，还可以构成闭环速度调节控制器。[!--empirenews.page--]
    图2为三相异步无刷直流电机典型的控制电路图。

    MC33039通过MC33035的管脚8的6．25 V基准电压供电，用来产生需要的反馈电压，而不需要使用昂贵的转速计。MC33035也用霍尔效应传感器信号检测转子位置。霍尔效应传感器信号的每次正极或负极转换都会引起MC33039产生一个输出脉冲，这个脉冲的幅度、延迟时间由外部电阻R1和电容C1确定。MC33039管脚5的输出脉冲序列通过MC33035的误差信号放大器积分，产生一个和马达速率成正比的直流电压。这个和速率成正比的电压设定了MC33035马达控制器管脚13的PWM基准电平，并闭合成了反馈回路。MC33035输出驱动一个TMOS功率MOSFET三相电桥。
    基于专用集成电路的驱动控制系统，使得控制电路体积减小很多，而且可靠性也提高。但是，在做三相异步无刷直流电机的控制器这个项目时，调试过程中发现了几个比较重要的事项。

2 功率开关器件的选取
    功率开关器件主要由MOSFET，IGBT或者功率模块(IPM)等全控型电子功率开关组成。
    本文设计的电机控制器，工作电压为28 V(公交车发动机电压)，最高转速为3 000 r／min，工作温度为70℃左右。在低电压、低频率和较高温度的工作环境下，选用MOSFET功率管，开关损耗很小，安全工作区宽，几乎不存在二次击穿问题，漏极电流为负温度特性，输入阻抗大，是电压控制型自关断首选器件。
    经过调试设计，最终选择IRF4905和IRF1010，这两个器件的开关特性很好，上升下降时间都在ns级之内，而且导通电阻很小，IRF4905为0．02 Ω，IRF1010为0．01 Ω。

3 电源输入中、大电容滤波
    电机高速运转时，电流约为12 A，电流很大，由于车用蓄电池还用于汽车点火，而且电机和MOSFET驱动电路中开关次数较多，可能在开启和关闭时引起浪涌电压，加上线损、电机不稳定等一系列的因素造成的纹波电压比较大，所以如果运用数据手册中的电容值时，发现电容发热量比较大，因此有必要加大电容的容量。经过调试设计，最终选取两个2 200μF／50 V和两个104钽电容并联，如图3所示。

    另外由于采样电阻发热比较大，布PCB板时尽量让电解电容远离发热元件，远离采样电阻，防止电解电容过早地干涸，延长电解电容的使用时间。

4 霍尔传感器的选择
    注意MC33035中文数据手册中，霍尔传感器的电源供电是利用MC33035第8脚：典型电压值为6．25 V来供电。所以6．25 V必须是所选霍尔传感器的正常供电电压。
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5 上、下桥驱动
    如果MOSFET管的开关速度慢，将导致能量利用率低，发热量大等不利因素。如何提高MOSFET驱动的高速化性能，由下面原理图和实验波形图具体说明。

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    如图4所示，MOSFET上桥高端驱动，由于MOSFET分布电容的存在，对IRF4905的充放电过程都要经过一个2 kΩ电阻。这样就不能在门极-源极之间对电容Ciss进行快速的充放电，不能活用MOSFET的高速开关性能。改进方案如图5所示，首先采用自举电路这样既可以确保门极-源极之间的电压在IRF4905的承受范围之内，又有利于电压的稳定。第二采用了推挽电路，利用NPN／PNP型晶体管的互补推挽电路，提高门极电流的驱动能力。充放电1，2过程不用经过比较大的电阻，直接加速电容的充电过程。
    下桥的驱动如图5所示，比较图4可以发现其中增加了一反向二极管和一个加速电容。串联栅极电阻可以使任何MOSFET输入电容和所有栅源电路中的串联引线电感引起的高频振荡得以衰减，如果进入底部驱动输出的负电流超过50 mA则需要二极管。使用附加电容，图腾柱式输出可以增强晶体管截止提供负基极电流。

6 MC33035与MC33039中RT／CT参数的选择
    MC33035中的RT／CT参数用于调整MC33035芯片的工作频率，每个振荡周期由基准电压VREF经RT向CT充电，然后CT上电荷通过内部一个晶体管迅速放电而形成锯齿波振荡信号。其工作频率的设定由图6做具体说明。

    由图6可以看出当工作频率过高，PWM调节时，下桥的开关速度过高，上升沿和下降沿占整个波型的比列大，损失的能量多，则发热量就大。当工作频率过低，如图4，图5所示，整个PWM调节中关断时间太长，容易产生电机波动。所以必须调整RT／CT使得MC33035的工作频率符合设计要求。
    MC33039中的RT／CT参数决定着F／V转换的对应列表，对应表一旦确定，速度控制就按照一定的比列执行，所以要求其中的电阻电容的稳定性要好，精度要高，而一般的贴片陶瓷电容热稳定性比较差，容易造成温漂，所以这里选择了CBB电容，温度系数很小。

7 结语
    在实际的电路设计过程中，要根据设计需要参数调整每一个元器件，使得电路符合设计的需要，数据手册中的各类参数只是提供一种设计参考，不能照搬照抄。因为芯片设计者只是在一定情况下做的实验，得到的实验参数，不可能满足所有应用者的要求。